一种动态配气仪的设计及其配气方法

张亚飞

(上海市计量测试技术研究院，上海 200233)

在气体检测分析仪器中，常需要用到配气仪来获取不同浓度的标准气体来对仪器进行标定等[1-4]，目前，随着工业检测领域对气体浓度检测准确度的要求越来越严，对标准气体的浓度要求也随之提高[5-9]。市面上最常用的获取不同浓度标准气体的方法就是利用质量流量混合法，即通过利用一个稀释气流量控制器和一个或以上的原料气流量控制器来对原料气进行比例稀释，以获得目标浓度[10-13]。因此，决定标准气体浓度的质量流量控制器精度成为当前优先考虑的问题，同时也对高效率实现标准浓度的配比提出了更高的期待。

通过对市场主流配气仪结构的分析，都具有大同小异的结构设计。比如，申请号为201110393886.7的发明专利申请公开了一种标准气配气仪，其设计存在如下几点不足：1，采用了制冷片、加热片和/或加热棒、采温器件等控温材料，以及保温材料等，使得整机的结构复杂，故障点多且不易维护；2.当配气仪外部输出管路和保温层内输出管路有较大温差时，会对目标气的配比浓度的精度产生一定影响。而申请号为201210277728.X的发明专利申请公开了一种数据校准方法及装置，其只是对单个流量控制器的流量控制精度进行了校准，并未考虑稀释气和原料气流量控制器间的精度差异。另外，从现有公开技术来看，均未考虑原料气流量控制器在长期接触较高浓度的酸性气体时所出现的一定程度上的腐蚀情况。因此，针对以上不足，本设计提供了一种高精度的动态配气仪及配气方法。

现提供一种配气仪及配气方法以解决现有配气装置存在的结构复杂，误差累计大，配气精度低，控制性差，易腐蚀的问题。该动态配气仪包括原料气通路、稀释气通路和混合管道，原料气通路和稀释气通路均与混合管道连通，原料气通路上设有第一流量控制器，稀释气通路上设有第二流量控制器，第二流量控制器通过一号控制阀分别与第一流量控制器及混合管道连接。

1：原料气；2：稀释气；3：电磁阀；4：一号控制阀；5第一流量控制器；6：第二流量控制器；7：二号控制阀；8：混合管道；其中，箭头所示为气流方向。

其中，第一流量控制器的入口并联有若干原料气接入支路，若干原料气接入支路的每条支路上均设有电磁阀，用以控制相应的原料气通入第一流量控制器。一号控制阀为一进两出的三通阀，其进口与第二流量控制器连接，出口分别连接第一流量控制器和混合管路。或者，一号控制阀为两个二位二通电磁阀组成，第二流量控制器通过其中一个二位二通电磁阀与所述混合管道连接，第二流量控制器通过另一个二位二通电磁阀与所述第一流量控制器连接。混合管道为两进一出的三通管，其两个进口分别连接所述原料气通道和稀释气通道，出口为目标气出气口。其中，第一流量控制器与第二流量控制器均采用层流差压式测量原理的流量控制器，其内部均自带温度和压力补偿。原料气通路上设有一进两出的三通阀，其进口与第一流量控制器连接，其中一个出口连接所述混合管道，另一出口为排气口。

具体详细的配气过程为：

如图1所示，本设计提供的一种动态配气仪，其包括原料气通路、稀释气通路和混合管道8，原料气通路和稀释气通路均与混合管道8连通，原料气通路上设有第一流量控制器5，述稀释气通路上设有第二流量控制器6，第二流量控制器6通过第一控制阀4分别与第一流量控制器5及混合管道8连接。第一流量控制器5的入口并联有若干原料气接入支路，若干原料气接入支路的每条支路上均设有电磁阀3，使用时根据目标气的需要接通所需的原料气1，通过电磁阀控制不同原料气接入支路的通断来控制相应原料气1的通断情况，可实现不同目标气的配比。一号控制阀4采用一进两出的三通阀，其进口与第二流量控制器6连接，出口分别连接第一流量控制器5和混合管路8，这样，通过一号控制阀4的作用可灵活切换不同的通路状况。或者，具体实施中，一号控制阀4还可以采用两个两位两通的电磁阀，其中一个电磁阀用以连通两个流量控制器，另一个电磁阀用以连通第二流量控制器6和混合管道8，这样也可以实现等同效果。混合管道8为两进一出的三通管，其两个进口分别连通原料气通道和稀释气通道，出口为目标气出气口。通过混合管道8的作用，将原料气1和稀释气2按需混合，得到满足要求的目标气。

其中，第一流量控制器5与第二流量控制器6均采用层流差压式测量原理的流量控制器，其内部均自带温度和压力补偿。这样简化了配气仪结构，不需额外设置控温装置和压力补偿装置等，即可使整个管路内气体的温度始终保持在一个相对恒定的温度范围内，减少环境温度对配气所引起的干扰，从而提高配气时的稳定性。

如图1所示，原料气通路上设有一进两出的三通阀7，其进口与第一流量控制器5连接，其中一个出口连接混合管道8，另一出口为排气口。这样，当只需清洁两个控制器时，将三通阀7与混合管道8的通路封闭，清洁气从三通阀的排气口排出即可满足清洁要求。使用设计的配气仪配气时，首先，启动仪器，根据原料气浓度S1、目标气浓度C1和目标气总流量等参数，计算得到所需稀释气的流量为N1，原料气的流量为G1。

相比于市场其他种类的配气仪，本设计的配气仪还具有两个优势功能程序：自清洁程序和自校准程序，下面对这两个程序和混合配气程序进行详细说明：

图2 是设备自校准程序气路流向示意图

①自清洁程序：关闭原料气1的相应电磁阀3，控制一号控制阀4，如图2所示的气体流向通道，稀释气2依次沿第二流量控制器6、一号控制阀4和第一流量控制器5流通，对各设备进行自清洁，在此程序中，稀释气2可从第一流量控制器5直接流入混合管道8进行清洁排出，也可通过设置的二号控制阀7的排气口排出。具体使用中，自清洁程序可在任何需要时随机灵活启动。

②自校准程序：如图2所示的气体流向通路，通过控制两个流量控制器和控制阀，可实现控制器的相互自校准程序，减小配气误差。操作时，设置第二流量控制器6的控制量为满量程N，设置第一流量控制器5的流量N1，其中，N1小于N，稀释气2按图2所示的通路流通，当第一流量控制器5和第二流量控制器6示值稳定后，记录第二流量控制器6的流量示值为N2，N2与N1成线性拟合关系，这样通过第一流量控制器5来控制第二流量控制器6的流量，利用控制量N1与N2 的比例关系，实现自校准程序。具体操作时，校准程序还可以通过第二流量控制器6来控制第一流量控制器5的流量，来实现第二流量控制器6对第一流量控制器5的反校准，类似的，只需将第一流量控制器5的控制量设置为满量程N，设置第二流量控制器的流量为G1，与前述类似进行校准即可。

图3 是设备混合配气程序气路流向示意图

③混合配气程序：如图3所示的气体流向通道，在校准程序后，断开一号控制阀4与第一流量控制器5的通路，控制第一流量控制器5的控制量为G1，同时控制第二流量控制器6的控制量为N2，原料气1通过第一流量控制器5和二号控制阀7，进入混合管路8中，稀释气2依次通过第二流量控制器6和一号控制阀4，进入混合管路8中，原料气1与稀释气2混合，得到目标气，由N1/G1正比于S1/C1的关系计算能得到目标气浓度C1。

需要说明的是，本设计动态配气仪的原料气采用多路并联的方式接入相应的第一流量控制器中，可以按需配置单组份目标气，也可以拓展增加相应的流量控制器，用以控制原料气，从而能实现多组份目标气的配气。

综上所述，本设计提供的一种动态配气仪结构简单，控制性好，配气方法简单易行，提高了配比目标气的精度和效率，自身具有校准和自动清洁能力，抗腐蚀性好，有利于仪器维护。